光刻机、碳监测卫星、引力波探测都跟这里有关系！| 走进实验室

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光刻机、碳监测卫星、引力波探测都跟这里有关系！| 走进实验室

2018 年 7 月 5 日 中国物理学会期刊网

光，不只是照亮世界。从第一台天文望远镜诞生到遍及全球的光纤通讯，光对科学、社会和人类都产生了重要而广泛的影响。

图1 人类观测宇宙（图片来源：网络）

今天小编带你走进的应用光学国家重点实验室，就是一个专注于用“光”改变世界的地方。

应用光学国家重点实验室是我国设立最早的国家重点实验室之一，依托单位为中科院长春光机所。实验室的主要创建者是新中国光学事业的奠基人、两院院士王大珩先生。

上世纪80年代，为进一步加强光学应用基础研究，大珩先生组织应用光学国家重点实验室启动建设，经过30多年的发展沉淀，实验室发展并形成了短波光学、空间光学、前沿光学技术与应用三个研究方向。

说了半天，应用“光学”到底可以做哪些改变世界的事情呢？

短波光学——精细至极

沸沸扬扬的“中兴事件”把国人的目光都汇聚到了“芯片”关键器件上，它看似不起眼却牵一发而动全身。芯片制备所涉及到的一系列高端设备也就愈发显得举足轻重，而这其中最为重要的就是光刻机。光刻投影物镜则是光刻机中最核心的部件之一，它的设计与制造代表着当代精密光学与精密机械的最高水平。

图2 光刻机（图片来源：网络）

光刻物镜的难度就集中在两个字——“精度”。

以极紫外光刻物镜为例，其光学系统由6片锅盖大小的非球面反射镜组成，这些反射镜的面形精度要求、镀膜要求以及支撑要求都极为苛刻。举几例子，看看精度到底达到什么样的极致吧！

l 反射镜的面形要求表面的起伏程度要远小于一个纳米，相当于在吉林省这么大的面积上高低起伏不能超过0.5mm；

l 此外，还要在如此平整的表面上镀上数十层甚至上百层超薄的薄膜，镀膜后的面形误差同样要优于1纳米，相当于在吉林省这么大的面积上均匀的摊上一张千层饼，饼的厚度偏差还要小于0.5mm；

l 各个镜子间的倾斜调整控制则要到亚纳弧度级，相当于控制一束指向380000000米外月球上的一束光，将光束在月球上精确定位到10厘米范围内。

所以，光刻投影物镜的设计制造代表着装备制造中精密光学和精密机械的最高水平，是目前人类所能研制的最为精密、最为复杂的光学系统。

2017年6月，应用光学国家重点实验室承担的“极紫外光刻关键技术研究”顺利通过初步验收，在国内首次获得EUV投影光刻32nm曝光图形，为我国真正自主掌握高端微电子制造技术奠定了基础。

图3 EUV光刻物镜（图片来源：课题组）图4 投影物镜系统波像差分布图（图片来源：课题组）

当然，实验室在短波光学的成果远不止光刻物镜一项，下面这些高精仪器也是出自这里！

l 嫦娥三号月基极紫外相机，随嫦娥三号着陆器降落在月球表面，成为人类首台在月球上对地球周围等离子体层进行实时、全局遥感成像观测的光学仪器；

图5 CE-3极紫外相机（图片来源：课题组）

l 天宫二号紫外临边成像探测仪，采用了该实验室首创的紫外前向光谱仪和紫外环形成像仪组合探测模式，在国际上首次实现了多方位和宽谱段的地球临边大气探测；

图6 环形成像仪（左边）、前向光谱仪（右边）（图片来源：课题组）

l 风云三号广角极光成像仪，是我国首台140 nm~180 nm波段地球极光和电离层空间成像观测仪器。

图7 FY-3（04）星广角极光成像仪探测头部（图片来源：课题组）

空间光学——拓展无限视野

卫星等空间飞行器赋予光学仪器以无限的视野，对地可以观测地球每个角落，对天可以深及宇宙边缘：例如刚才提到的嫦娥三号极紫外相机，它观测的对象是地球等离子体层；天宫二号紫外临边成像探测仪的观测目标是地球大气层。

应用光学国家重点实验室研发的各类空间光学遥感仪器始终处于国内领先水平。其中最具有代表性的当属离轴三反光学技术。

图8 离轴三反光学系统（图片来源：课题组）

离轴三反光学系统与同轴反射式光学系统相比，具有视场大、无中心遮拦等特点。其视场角是同轴系统的10倍以上，在同样轨道高度下观测的范围也是同轴系统的10倍以上，而且成像质量更好。可以大幅提升卫星对地成像观测的效率和质量。如今这一光学系统已成功应用于六个航天型号任务、十余台空间光学载荷。

除了离轴三反光学系统和紫外空间载荷，实验室近来在空间光学领域还有许多引人注目的成果。

天宫二号与神舟飞船的多次交汇对接任务中，使用实验室研发的TV电视摄像机和光学成像敏感器两套关键设备，分别用于人控和自动对接过程，确保了太空握手的稳定与可靠。

尤其是光学成像敏感器，它由光学成像匀化器和光学成像敏感器光学系统两部分组成，分别相当于一把特殊的“手电筒”和一双锐利的“眼睛”。神舟十一号飞船用“手电”照射天宫二号飞船上的几个标志物，然后“眼睛”通过标志物的分布就可以知道两个飞船的相对位置，从而引导二者自动完成犹如“穿针引线”般的太空对接。如果没有这把“手电”，“眼睛”就会“晃眼睛”和“看不清”。

图9 神州TV摄像机（图片来源：课题组）

中国碳卫星两大核心载荷--高光谱CO₂探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪也是由该室科研团队研制，其中CO₂探测仪最高光谱分辨率达到0.04nm，使我国在高光谱大气痕量气体探测方面达到国际先进水平。这不仅是我国在应对全球气候变化方面采取的积极行动之一，同时，拥有自主的全球气候变化一手数据，也可以让我国在全球气候谈判中掌握主动权。

图10 高光谱CO₂探测仪（图片来源：课题组）

前沿光学技术与应用——蓄积创新动力

前沿探索是提升创新能力的关键，多年来应用光学国家重点实验室持续关注国内外光学领域发展动向，布局新的应用光学方向。

在微纳光学与系统领域，实验室面向便携式生化分析技术与无标超高灵敏度生物传感开展前沿基础与应用研究。所研制的CD-Like全血生化分析仪，可以仅用一滴血、在短短的几分钟内就实现对人体血液中十余项生理指标的自动检测，未来有望广泛应用于基层医院甚至家庭。

图11 离心式全血生化分析芯片及系统（图片来源：课题组）

针对当前心肌梗塞、癌症等严重影响人类生命的疾病，实验室长期致力于研究早期诊断的先进技术，并成功开发了基于光纤耦合器的无标超高灵敏度生物传感器，实现了目前国际相关领域取得的最高检测灵敏度，具有良好的特异性和重复性，这对于后期生物传感器的实用化具有重要的意义。

图12 光纤耦合器传感器示意图（图片来源：课题组）

在液晶光学调控技术领域，实验室研制出了响应速度可达0.6ms的高速液晶光学波前校正器件，达到国内领先、国际先进水平。利用该器件所研制的自适应光学系统，可以以每秒钟上千次的速度实时对大气湍流等引起的光学畸变进行补偿。它可以用于地基的大口径望远镜上，相当于给望远镜戴上了一副智能眼镜，让我们在地面上获得可以和在太空相媲美的宇宙图景。此外，该项技术还可以帮助地基望远镜对在轨卫星和空间碎片等进行高分辨率的清晰成像观测，为人造卫星在轨的监测与空间安全提供技术保障，是拥有“火眼金睛”的地面卫兵。

图13 高速液晶光学波前校正器（图片来源：课题组）

图14 液晶自适应光学系统（图片来源：课题组）

此外，实验室还在研制“全景双谱段红外成像光谱干涉测量及反演仪器”，其中的核心技术就是静态傅里叶变换光谱仪。它可以广泛应用于突发性环境灾害事件快速、高效、高可靠性的监测，避免“天津港”的悲剧重演。

图15 全景双谱段红外成像光谱干涉测量仪器光路与三维结构图（图片来源：课题组）

“引力波”探测是近年来广受关注的科学热点，实验室目前也在积极参与中国引力波探测的“太极计划”，并负责其中核心载荷望远镜和惯性传感器模块的研发，以及干涉仪系统的工程化工作。该空间引力波探测设备通过对百万公里级空间尺度进行皮米级精度测量，从而获得引力波信号。其中望远镜系统用来实现星间捕获和对准，干涉仪系统实现空间干涉测量，惯性传感器作为星间测量基准，其主要作用是尽可能的降低外界扰动所引入的测量噪声。